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作者：Terry Yuan 公司：駿龍科技
摘要：
本文主要介紹車載拾音類產(chǎn)品的表現(xiàn)形式、聲學傳感器的類型、選擇和ADI 三軸加速度計 ADXL317 在車載拾音上的應用。
正文：
在《ADI 音頻在 PCBA 里的通用傳輸格式》和《深入了解數(shù)字音頻接口 TDM 在軟硬件配置中的問題》兩篇文章中，我們介紹過目前關于汽車音頻主流的一些架構(gòu)和設計思路，也聊過數(shù)字音頻格式里面的一些主流格式和配置方法?；诖?，本文將介紹在這個架構(gòu)之上的一些邊緣應用的設計思路，主要圍繞拾音類的相關應用展開描述。
目前在車上做的拾音類產(chǎn)品主要有四種表現(xiàn)形式：
- 第一種是以 A2B 作為加解串芯片加 PDM 數(shù)字麥克風的拾音應用，主要用于采集人聲，或者采集特定部位的噪聲；
- 第二種是 A2B 加振動傳感器，主要用于采集避震、發(fā)動機引擎等低頻率高振幅度的相關噪聲，后面會展開說明為什么要用它進行采集；
- 第三鐘是 A2B 加 PDM 麥克風加揚聲器，主要用于頭枕類的應用，一方面做分區(qū)的人聲采集，另一方面進行分區(qū)音樂播放；
- 第四個是 A2B 加無線音頻接收芯片，配合一些麥克風做車載卡拉 OK (目前運用的不算特別多)，功放暫時不涉及。
聲學傳感器的類型和選擇
在聲學傳感器的選擇中，一般要根據(jù)環(huán)境來確定。在麥克風領域，我們熟悉的就有很多種選擇，諸如：電容式麥克風、動圈麥克風、鋁帶麥克風、駐極體麥克風等等。這些麥克風各有特點，大家可根據(jù)需求合理選擇。
例如在錄音棚里，我們所用的一般都是電容式麥克風，因為需要捕捉很多聲音的細節(jié)和比較高的動態(tài)，而面對高聲壓的設備，我們一般就用動圈式麥克風。在車載上，用的最多的就是電容與駐極體的模擬麥克風了，但是隨著新型硅傳感器的普及，使用量將會越來越多。數(shù)字硅麥克風一方面便于和數(shù)字信號的相關芯片連接，另一方面體積比較小，在人聲這些頻段，動態(tài)大，且 SNR 相當優(yōu)秀。
三軸MEMS拾音
首先為大家介紹三軸 MEMS 拾音產(chǎn)品存在的意義。在傳統(tǒng)汽車廠商的設計中，因為在車上進行語音通信時，使用手機會比較不方便，所以汽車廠商一般會在車身拆分麥克風和揚聲器這 2 個獨立的單元。在麥克風單元上，以前模擬類型的麥克風用的最多的就是駐極體麥克風（ECM）類型，ECM 類型的駐極體一般具備高通的特性以及調(diào)整成超心型極性圖，通過長長的導線進行傳輸，固有的一些缺陷是對于低頻段拾音能力的不足，以及 SNR 噪聲的引入，所以三軸 I2S 加速度計就有其存在的意義。
目前我們主要用到的芯片是 ADI 的 ADXL317，它是一款 3 軸 ±16g I2S 數(shù)字加速度計，它能做到的就是拾取三軸的振動噪聲數(shù)據(jù)，將之直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字音頻格式傳輸?shù)揭纛l鏈路中進行處理，主要應用在 RNC 和 ANC 這些領域，這是我們用一般硅 MEMS 還有駐極體拾音器所拾取不到的，或者拾取到也是噪聲源樣本太過于不精確，會妨礙我們的功能處理。下圖 (圖1) 為 ADXL317 內(nèi)部框架圖：
圖1 ADXL317 內(nèi)部框架圖
從圖中看出，顯示三軸的物理 sensor，將振動信號倒入到 SENSE ELECTRONICS，轉(zhuǎn)換為電信號后，三軸對應三個 ADC，進行數(shù)字量的轉(zhuǎn)化，再進行一個高切，這個地方是減少高頻噪聲，且它的頻響主要集中在低頻段，最后轉(zhuǎn)化為 IIS 音頻信號傳出來?？傮w來看，IIC 進行控制，出三軸 IIS 數(shù)據(jù)，可以和 A2B 完美搭配，做成模塊，方便安裝到待測目標點位。
對于這個設備最關鍵的一些指標 — 帶寬、分辨率、位深、延時和噪聲，帶寬用戶可選帶寬 500hz~4Khz，48khz 14bit 數(shù)據(jù)，90us 延時以及 xy 軸 55ug/hz 的相關噪聲，它們已經(jīng)足夠覆蓋應用。目前該器件支持 TDM2/4/8，位深一般是 16bits 或 32bits。
目前用來配合應用的溫漂、軸向線性可以根據(jù)手冊圖示查看，但在設計時要注意，重力是一個恒定的 +1g 的加速度力，會影響整體，所以在應用設計時要考慮到重力因素，它對這種低克重加速度計影響很大。同時在安裝時應該考慮到不同方位對不同軸向的影響，從而對 1g 進行加減。
圖2 重力加速度響應
I2S 的一般支持 3.072Mhz 的 32bit-IIS 或者 16bit-TDM4，或者 6.144Mhz 的 32bit-TDM4 以及 16bit-TDM8，具體的配對方式在《ADI 音頻在 PCBA 里的通用傳輸格式》一文中有詳細介紹過，這里就不過多贅述了。值得注意的是，這邊 IIC 只支持 100khz 的傳輸速率，請勿選擇 400khz 速率的傳輸方式。
接下來介紹對于該器件的初始化順序：
- 3.3V 的供電起來后，等待 1ms 再進行寄存器的讀寫。
- 啟動后該器件有 DEVID 寄存器是只讀的，通過讀取 DEVID_ID0 寄存器來確定連接還有命令序列是否正確，該值要等于 0x22。
- 要先向 USER_REG_KEY 寄存器寫入密鑰，不然其他可寫寄存器的寫入都被忽略，可以理解為就是一個鎖，要先寫 0xBC & 0x43 寫入 0x80，解鎖后就可以正常寫入，注意要單字節(jié)寫入，不能以 buffer 形式寫。
- 軸位配置，每個軸有自己的數(shù)字濾波器，包括 CIC，低通 IIC，高通濾波器，默認是 4khz，具體自己進行選擇。
- 配置 TDM 的相關信息，一般是 IIS_CFG0/1、CLOCK_RATE，可以配置 TDM 的封裝格式、速率等其他基礎配置。
涉及到一些單位換算，數(shù)據(jù)格式的抽取與轉(zhuǎn)化，大家可以參考ADXL317 quick start User guide。
自檢查模式
ADXL317 分別有正自檢、負自檢還有交流自檢查模式，分別是 XY：+3.6g，Z：+6.6g，負自檢為負值，交流自檢時 100Hz 的方波。第一次上單時，一般是需要對設備進行自檢的，大部分三軸 MEMS 都是如此，為了保證采樣的足夠精準，所以基本上都會進行這樣一個過程。
與之對應，我們是通過 x_ST_AC & x_ST_POS & x_ST_NEG 這三個位來控制具體的自檢類型 (正負自檢以及交流自檢)。同時要考慮重量問題，不然很容易校準掉。具體自檢步驟在 datasheet-pg16 有相關描述。由于 TDM 格式和 IIC 格式基本是一些基礎配置，這里也不過多贅述，下面介紹濾波器涉及到延時以及噪聲等相關因素：
- Low-pass CIC filter，始終開啟，可選角頻率7.66khz，3.83khz，1.91khz，957hz。
- Low-pass IIR filter，使能開啟，可選角頻率5khz，2.5khz，1.25khz，625hz。
- High-pass filter，使能開啟，可選角頻率29.8hz，7.46hz，1.85hz，0.46hz。
在配置時，對截止頻率的選擇，需要我們在代測物的相關頻率范圍、有效帶寬、噪聲和延時中做均衡。頻率越高，延時越小，噪聲越大；頻率越低，噪聲越小，但是延時高，因此要盡可能的平衡以達到最佳效果。
圖3 ADXL317 相關濾波器指標圖示
根據(jù)上文的一些相關描述，以下給出一版 ADXL317 初始化配置，供大家參考：
圖4 ADXL317 初始化配置
總結(jié)
除上面介紹的三軸 MEMS 拾音外，對于麥克風陣列的相關車載拾音設計還有頭枕類，這個比較簡單，一個是多 PDM 麥克風陣列，一個是麥克風陣列與 AMP 一起的產(chǎn)品，注意以上這些都是直接和 A2B 一起連接設計，用于汽車各個部位的拾音，可以用于汽車做的 AEC，ANC、RNC 等多場景。目前 RNC 因為價格比較高，還只在一些高端的車型上體現(xiàn)，以后整體成本下降，會用的越來越多。
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